JP3945820B2 - 可変近共焦点制御手段を備えた光ファイバ共焦点像形成装置 - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は、例えば帰りピンホールの代替として光ファイバのような可とう性光学伝送手段を使用する共焦点像形成装置に関し、特に、それに限定される訳ではないが、光ファイバを用いて構成された共焦点顕微鏡に関する。
従来技術の説明
共焦点顕微鏡はマービンミンスキー（Ｍａｒｖｉｎ Ｍｉｎｓｋｙ）の研究が源流であると考えてよい。彼の米国特許第３，０１３，４６７号は、光線がピンホールを通過し、ビームスプリッタを横行し、対物レンズによって試料の上に、あるいはその内部においてスポットに集光される。図示実施例においては、前記スポット領域から戻ってくる光線は、同じ対物レンズによって集光され、ビームスプリッタとの２回目の衝突によって反射され、第２のピンホールを通して光検出器に達する。本装置の幾何学的配置は、集光したスポット（ガウスウエスト容積）が、レンズを通して帰ってくる光線軌道の全体的なセットがそれら光線の出射軌道を辿って帰り第２のピンホールを介して光検出器まで戻るようなものである。対物レンズを通るこの焦点の上方あるいは下方から反射される光線は、ピンホールの周りの領域を形成する不透明なシート材料によって大きく遮断される。
光検出器からの電気信号がスポットから反射された光線の値を示す。もしも試料が動くとすれば、光検出器からの電気出力の変動がスポットの軌道に沿った試料の材質からの帰り光線のレベルの変動を示す。もしも試料が２次元ラスタを運動するとすれば、帰り光線強度の２次元にラスタされたマップが、光検出器からの前記出力のラスタ同期変調に基づいて蓄積される。この事は、陰極光線スクリーン上に、あるいは鋭い光学的スライスである像を提供するその他の手段によって表示でき、焦点面の上方あるいは下方の光線の作用を概ね排除する。そのような光線は、特に半透明の生化学的試料では、従来の顕微鏡では通常コントラストを低下させ、かつ像をぼやかし、厚い組織部分のハイパワーの顕微鏡による観察を不可能にする。１個以上のピンホールの代わりに光ファイバを使用することは米国特許第５，１２０，９５３号に記載されている。そのような光ファイバによる共焦点顕微鏡においては、光ファイバのコアがピンホールとして効果的に作用し、ファイバが単モードである場合、光線は、一組の同心状に広がる波頭としてファイバを出てゆき、本装置は拡散が制限され、最高の解像力が得られる。
ピンホールに代わってファイバを使用することの主要な利点は、ピンホールの２方の側がファイバのコアによって光学的に接続されて有効となるが、物理的には独立していて独立して個別に位置し得ることである。この事によって得られる主要な利点は、
（ａ）顕微鏡の数個の大きくて重い要素をいずれかの都合の良い位置に位置させることが出来、かつ試料に対してしっかりと位置させる必要の無いことである。
（ｂ）ファイバの先端自体を機械的に走査して像のデータセットを構築するに要するラスタを提供出来ることである。
（ｃ）「インファイバ」エバネッセント波ビームスプリッタを採用することが出来る。
既存のファイバ共焦点顕微鏡の欠点は、これらの装置に対して、ピンホールを開放する直接的な機能的同等物が無いことである。殆どのバルク光学レーザ走査共焦点顕微鏡は、第２のピンホールが徐々に拡大しうるという機能を含む。最高の解像力の像を得るためには、合理的な光学信号強度と調和した最小寸法の第２のピンホールが望ましいが、実際には、連続して可変のダイアフラムを操作することにより、顕微鏡が対象物を観察するにつれて、第２のピンホールを拡大、縮小することが望ましい。ダイアフラムがアパーチャを開放し、ガウスウエスト領域のいずれかの側から増大する光線を集める。このため電気信号の強度を増すが、光学的解像力を犠牲にする。この手順が使用されるのは、
（ａ）所望の構造を見つけるために迅速な単一の走査像が使用される観察の初期段階における「サーチモード」の間、
（ｂ）繰り返し性で無いため、走査を同期的に行えない、急速に動いている構造を観察する場合、
（ｃ）大きい深さの３次元再構成物に対してより深い焦点深度が望ましい場合、
（ｄ）蛍光あるいは反射信号が極めて弱い場合、
（ｅ）発蛍光団が飛散性である（すなわち、簡単に光漂白される、すなわち自然に分解する）場合である。
発明の要約
本発明の目的は、光ファイバを有利に使用しているが、更に、試料の光学装置に隣接して物理的なピンホールあるいはダイアフラムを設ける必要無くピンホールを開閉する均等の機能を有する光ファイバ共焦点像形成装置を構築出来ることである。
従って、本発明によれば、
光線ビームを供給する光源と、
前記ビームからの光線を対象物上または対象物内部の点観察領域に集光し、前記点観察領域の近傍から発散される対象物から発散された光線を受け取る光線集光手段と、
前記対象物から発散した光線を検出する検出器と、
前記点観察領域が像形成装置の光軸に対して横方向の焦点面上で走査するように前記対象物と前記点観察領域とを相対運動させるよう作動可能な走査手段と、
前記光源からの光線ビームを前記集光手段まで伝送するとともに対象物から発散された光線を前記検出器へ伝送し、対象物から発散した光線を前記点観察領域からのみ伝送する可とう性の共焦点光学伝送手段を有する可とう性光学伝送手段と、
対象物から発散した光線を前記光線ビームから分離し、それを検出器まで通す光線分離手段と、
を含み、
前記光学伝送手段が更に、
（ｉ）前記共焦点光学伝送手段に隣接して集光端を有し、焦点面の上方および下方の所定範囲の距離内に位置した対象物の点から発散される近共焦点光線のうち、前記所定範囲内にあって前記焦点面からの距離が大きい選択された部分から発散される近共焦点光線を、同距離が小さい残部からの近共焦点光線から分離して伝送する可とう性の近共焦点光学伝送手段と、
（ｉｉ）前記可とう性近共焦点光学伝送手段から前記近共焦点光線の少なくとも一部を出すための出口領域とを含み、
前記選択された部分を画定し、それを前記検出器から排除する可変選定手段が更に設けられていることを特徴とする共焦点像形成装置が提供される。
可とう性で分離可能な手段を通して分離可能に伝送することにより、試料から遠くに位置させることの可能な可変のピンホール効果を提供することが出来る。
第１実施例において、近共焦点光学伝送手段は前記分離可能な伝送を提供するために、前記集光端において端部が隣接している複数の光学的に隔離されたチャンネルから成る。前記複数のチャンネルは一束の光ファイバか、あるいは多数のコアを有する大口径の光ファイバによって提供することが出来る。代替的に、前記複数のチャンネルは、光学的に隔離された材料によって相互に分離された複数の共軸線の同心導波構造で良い。
第１実施例においては、近共焦点光学伝送手段の出口領域は、前記複数のチャンネルの個別のチャンネルあるいはサブセットのチャンネルを露出し、対応する個別のチャンネルあるいはサブセットのチャンネルを移動する光線を対応する光検出器にそらせる光学セメントを含有しているファイバの複数のエッチングした部分によって提供しうる。この場合，可変の選定手段は種々の光検出器からの出力を選定するためのスイッチ回路等を含んでいる。代替的に、出口領域は、ファイバあるいはファイバの束の放射端を形成する複数の隔離されたチャンネルの両端によって提供され、前記選定部分から徐々に検出を排除するように、可変ダイアフラムを含む領域上に放射端の像を投影する集点手段を含み得る。検出器はダイアフラムの後ろに配置されている。
第２実施例においては、近共焦点光学伝送手段は広口形のファイバあるいは単一モードの光ファイバのクラデイングからなる。この実施例においては、もしも前記集光手段が、光ファイバの集光端へ入る光線が、光ファイバの光軸から集光端への入光点の距離を増やす角度でファイバを通して伝送されるようにすれば、前記選定部分の顕著な分離性を達成することが出来る。可変選定手段は、選定された角度より大きい角度で出てくる光線を排除するように光ファイバの出口領域近傍に配置された可変ダイアフラムを含み得る。
光ファイバあるいは光ファイバの束の放射端により出口領域が提供されるような実施例においては、可変選定手段もまた、ファイバの放射端の像を第２の可変ダイアフラム上に集光するように近共焦点集光手段を含むことが出来る。
第２のその他の実施例においては、外側ジャケットのファイバを剥離され、近共焦点光線を抽出するためにファイバに適当に合わされた屈折率を備えた材料に接触している領域のようなファイバの露出された側によって提供される。近共焦点光線はそのような単一の領域から抽出でき、可変選択は可変ダイアフラム手段によって実行出来る。代替的に、近共焦点光線は、低い角度の光線を徐々に抽出するために屈折率が徐々に大きくなっている材料と接触するファイバの長さに亘っての複数の領域から抽出出来る。可変選定手段は光学的、あるいは電子スイッチ手段からなる。
第３実施例においては、近共焦点光学伝送手段は屈折率分布ファイバからなる。この実施例においては、出口領域は対応する検出器を備えたファイバの側の順次深くエッチングされた領域によって提供しうる。代替的に、出口領域はファイバの放射端によって提供しうる。そのような場合に、ファイバの先端の像を検出器の前の第２の可変ダイアフラム上に投影するために近共焦点集光手段を通して低角度の光線のみを導入するように第１の可変ダイアフラムを設けることが出来る。
好適実施例の説明
本発明を更に明確に理解出来るようにするために、添付図面を参照して好適実施例を以下説明する。
第１図は共焦点顕微鏡の点観察領域の近傍から出てきて、光学伝送手段の集光端上に集光される光線軌道の線図、
第２ａ図、第２ｂ図、第２ｃ図および第２ｄ図は本発明の第１実施例の複数の隔離チャンネルの例を示す図、
第３図は近共焦点光学伝送手段として「四つ葉のクローバ」状のファイバ（２６を参照）と、漸次選択を行うためにファイバのエッチングした領域を用いている第１実施例の変形による概略的な光学的配置を示す線図、第４図は同心状の導波構造の使用を示す第１実施例の別の変形を示す図、
第５図はファイバの放射端の像を投影することにより提供される漸次選定手段を示す第１実施例の別の変形を示す図、
第６図は単一モードの光ファイバのクラッデイングを通る光線の伝送原理を示す線図、
第７図は近共焦点光学伝送手段が単一モードの光ファイバのクラッデイングによって提供される第２実施例を示す図、
第８図は近共焦点光線がファイバの側方から抽出される場合の、単一モードファイバのクラッデイングモードを用いた第２実施例の変形を示す図、
第９図は第８図に示す実施例の別の変形を示す図、
第９Ａ図は近共焦点光線が漸次抽出される、第２実施例の変形を示す図、
第１０図は光線がファイバの集光端に入る前に該光線を角度的にコード化するために球レンズを用いている第２実施例の細部を示す図、
第１０Ａ図は第１０図の実施例の変形を示す図、
第１１図は屈折率分布ファイバと選定手段のためにファイバのエッチングした部分とを用いている第３実施例の例を示す図、
第１１Ａ図は第１１図のファイバの屈折率分布のプロフィールを示す図、
第１２図はファイバ先端の投影像を利用する、第３実施例における、屈折率分布ファイバの放射端と選択手段とを示す線図、
さて、第１図を参照すれば、焦点面の上方および下方における対象物の点からの光線軌道を示す概略線図が示されている。詳しくは、ファイバ共焦点顕微鏡における単一モードの光ファイバは典型的には、レーザ（図示せず）からのレーザ光源光線を伝送するために単一モードの光ファイバのコア１０を使用しうる。光ファイバのコア１０の端部１１において、レーザ光線は該光線を観察すべき対象物（図示せず）内の点観察領域まで集光する集光レンズ１２を介して（図では誇張して示している）典型的なファイバに対しては約８から１０度である円錐形の発散角で外方に投影される。集光レンズを通して単一モードファイバのコアの端部１１の帰ってくる光線は点Ｐを通らねばならないので、点Ｐから発散される光線は優勢的にコアへ再び入り、焦点面Ｆから光線を希望どおりに隔離して、例えばビームスプリッタあるいは光ファイバカップラのような分離手段を用いて前記「共焦点」光線が集められ得るようにする。Ｐの近傍にあるが、焦点面Ｆからそれぞれ距離Ｄの分だけ離れている点ＱおよびＲからの光線はコア１１の端部には集光されず、焦点はコア１１の端部の直ぐ前、あるいは後ろにある。その結果、光ファイバの前面１４において、点ＱおよびＲからの光線は拡散してファイバのクラッデイング材料に衝突する。通常、単一モードファイバのクラッデイングは、該クラッデイングのそれより大きい屈折率を有するジャケット１３によって囲まれており、光線がクラッデイングを通して伝播することが阻止されている。
Ｄの距離より近い所にある点から発散される光線は光ファイバの面１４における半径Ｒの円内に入り、距離Ｄが大きくなればＲも大きくなる。従って、光線が光ファイバに衝突する軸線からの距離Ｒは、光線がそこから発散されてきた焦点面からの距離Ｄに関連している。この周知のアパーチャ関係が、焦点深度を大きくするために標準的な共焦点顕微鏡におけるピンホールの開閉を可能とするものである。
従って、この距離関係が保存されるか、あるいは符号化され、光線が分離可能に伝送されてファイバの出口領域に達するとすれば、漸次各種の手段によって選択され可変ピンホールの均等物を画定することが出来る。
最も単純で判りやすい第１の好適実施例においては、この距離関係は第２図に示すように、複数の隔離されたチャンネルを設けることにより保存される。これは、例えば、第２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ図に示すように、レーザ光線送出および共焦点帰りファイバ２０を中心に、該送出コアを囲む形で複数の集光ファイバを備えている干渉性のファイバ束によって実現することが出来る。代替的に、例えば、第２ｂ図に示す「四つ葉のクローバ」型あるいは第２ｃ図に示す多数クローバ型のようなマルチコアファイバを使用することが出来る。第２ｄ図に断面図で示す別の変形例では、低屈折領域２３（例えばシリカガラスからなる）によって分離された同心の円筒形の複数の導波領域を備えている。低屈折領域２３は、導波領域を構成する高屈折率の複数の円筒状領域を、該円筒状領域間の結合を光ファイバのパッチコードに使用される長さに渡って許容しうる程度に下げるに十分な距離だけ離している。このマルチコアファイバはジャケット２４により囲まれている。円筒状導波領域構造体は、外側のものの厚さが内側のものより厚いことが好ましい。
さて、第３図を参照すれば、四つ葉のクローバ状のファイバ配置に適用しうる第１実施例の可変選定手段を提供するために漸次近共焦点光線をタッピングする（取り出す）手段が示されている。ファイバのエッチングされた領域３０がチャンネル３１を露出し、シリカの屈折率と等しいか、あるいはそれより大きい屈折率を有する光学セメント３２で充填されている。光学セメント３２内に検出手段の一部として光検出器３３が埋設されている。チャンネル３１に沿って進行する光線はエッチング領域３０に出会い、光学セメント内へ送られ、光検出器３３を動作させる。同様に、第２のエッチングした領域３４が設けられ、四つ葉のクローバ状のチャンネルの第２のチャンネル３５の一部を露出し、ここでも第２の光検出器３７と接触する光学セメント３６で充填されている。この第１実施例では、スイッチ手段と、所望の検出器からの光線を選択するハードウエアあるいはソフトウエアによって可変選定手段が提供される。更にファイバを下がって、中心のコアを除く全ての部分を露出し、レーザからの光線ビームのレーザ光線が四つ葉のクローバ状コアから検出器３３および３７内へ進行しないように阻止するランチモードストリッパ３８が設けられている。
ファイバの遠位端３９において、該ファイバの共焦点コアからの光線が発散し、光源集光光学手段３９０を通して帰る。また同光線は、ビームスプリッタ３９１の形態の光線分離器によって部分的に偏向されて光電子増倍管３９２に入り、周知のレーザ走査共焦点顕微鏡と似た仕方で共焦点帰り光線を検出する。
第３図に示す実施例は、レーザからの光線ビームを対象物まで伝送すること、及び（共焦点面から出てくる）共焦点光線を集め、検出器まで伝送することの双方に対して単に１個の単一モードファイバコアを用いている。走査は、米国特許第５，１２０，９５３号に記載のように、ファイバ先端の振動を含む多数の手段および（または）ファイバ先端と試料との間に配置される周知の走査ミラーによって達成することが出来る。米国特許第５，１２０，９５３号の開示によれば、光線ビームの伝送のための個別のファイバを含む、同様の実施例が考えられる。第３図に示す実施例を含んでここでした全ての説明は、光線が単一モードのファイバのコアによって顕微鏡のヘッド並びに試料まで運ばれるような実施例に対応する。
これらの実施例において、近共焦点光線を光検出器まで戻すための代替的なチャンネルは光線を試料まで運ぶ物と同じファイバ内にある。米国特許第５，１２０９５３号の教示によれば、ビームスプリッタを使用することができ、また共焦点の光線を光検出器まで戻すためのファイバは第２の完全に個別のファイバで良い。本明細書に記載の全ての方法は焦点深度を選択的に深くしたり、あるいは抑制したりするために第２の帰りファイバにモード選定手段を適用している２本のファイバを備えた装置にも適用可能である。
さて、第４図を参照すれば、第２ｄ図に示す同心状の導波構造に対する類似の可変選定手段が示されており、漸次深くされたエッチング領域がファイバの出口領域に適用されている。第１の領域４０は外側コアのみからの光線を抽出する。次の領域４１は僅かにより深く、最外側のコアからの光線は既に抽出ずみであるため、第２の最外側コアからの光線を抽出する。更に別の、より深い領域を順次配置させてもよい。第３図と同様に、ランチモードストリッパ（図示せず）がファイバの端部に設けられている。
さて、第５図を参照すれば、第１実施例における可変選定手段を提供する代替的な手段が示されている。出口領域が放射端５０によって提供され、この同じ端部がレーザ５２からの光線ビームを５１を受け取る。また、レーザ集光光学手段５３が帰り共焦点集光手段として帰り光線に対して作用し、遠位点５４においてファイバの放射端５０の拡大された投影像を提供する。光線の選定された部分が光電子増倍管（図示せず）へ入らないように徐々に排除するためにアイリスダイアフラム（可変絞り）５５が使用される。この方法は、第２図に示す隔離されたチャンネル配列のいずれに対しても適用可能である。第２ｄ図に示す同心状の導波構造以外の隔離されたチャンネル配列に対して、ＸＹ情報の保存は、多数の光検出器が用いられた場合に有利に使用出来る。四つ葉クローバ型に象限光検出器が用いられたとすれば、４個のチャンネルの出力の差を、たとえば干渉コントラスト差のようなその他の形象モードを表示するために使用出来る。
さて、第６図を参照すれば、光線６１および６２によって代表される近共焦点光線が示されている。光線６１および６２は、コア６３が共焦点光線６４を受け入れている単一モードファイバのクラッデイングを通りクラッデイングモードとして伝播している。単一モードのファイバは、直径が典型的には約３ミクロンメートルであるＧｅドープのコア６３から構成されており、このコアは、該コアより屈折率が低く、直径が典型的には約１２５ミクロンメートルであるシリカのクラッデイング６５によって囲まれている。クラッデイング６５はジャケット６６によって囲まれている。そのような配置において、クラッデイングモードは受け入れられ、約３０度以下の角度で集光端４１に入射する光線は全反射により伝播する。クラッデイングモードで伝播させたい場合には、ジャケットはクラッデイングよりも低い屈折率の材料で作るべきである。透明のシリコンゴムが適当な材料である。通常、クラッデイングは望ましくないので、ジャケットは伝播を阻止するアクリル材料から構成される。
従来の大きさで１２５ミクロンメートルのファイバを使用している顕微鏡においては、クラッデイング６５は、焦点面の上方および下方のある距離の範囲内の１個以上の選択された距離から出てくる近共焦点光線の選択された部分が残りの部分から分離しうるような方法で近共焦点光線を伝送するために用いることは出来ない。この事の第１の理由は、光線がクラッデイングを通って伝播し、ファイバの他端から乱れて出てくるため、入光光軸からの距離と、焦点面からの距離範囲との整然とした関係が喪失するからである。第２に、近共焦点光線の入射角が、焦点深度によって左右される仕方で１２５ミクロンメートルのファイバによって集光された場合十分に変動しないからである。
しかしながら、光線の出角が常に光線の入角と等しいという事実は、光ファイバの先端に、あるいはその近傍に光学要素を追加することにより有利に使用できる。さて、第７図を参照すれば、クラッデイング内での伝播入射角内への光軸からの距離を符号化することによりクラッデイングモードを使用している第２実施例の一つの光学手段の一部が示されている。共焦点Ｐから出てくる光線が、７０（誇張して示す角度）において単一モードコアへ入るものとして示されている。
ファイバの集光端７１は、光軸からの光線が入る距離が大きくなればなるほど、光線をより大きく曲げるレンズ効果を提供するよう湾曲されている。湾曲はコア端７０の後ろにあるため、共焦点光線は屈折することなくコア端７０に効果的に入る。この形状はファイバの端部を加熱して軟化させ表面張力を生じさせて湾曲することにより作ることが出来る。焦点面から漸次遠ざかっている点ＳおよびＴから出てくる光線は光軸から漸次遠ざかって光線Ｓ′およびＴ′に沿って入るので、伝播角度が増している光線Ｓ″およびＴ″に相応する。ジャケット７１ａは例えば、シリコンプラスチックのような適当な低屈折率材から構成されている。ファイバの放射端７２において、光線Ｓ″およびＴ″が出てくる光軸からの距離は伝播角に従って整列されないが、出角は整列される。これは、レーザ集光光学手段としても作用しうる近共焦点集光手段７４の前方にある遠視野アイリスダイアフラム７３によって有利に利用出来る。アイリスダイフラム７３は、その全開位置において、放射端７２から出射し検出焦点面７５においてファイバ先端の像に集光される光線の概ね全てを入光させる。検出焦点面７５の前方の別の近視野アイリスダイアフラム７６は、アイリスダイフラム７３と同様には漸次作動しない。その理由は、ファイバ端の投影された像の強度空間による変動が入光光線の軸心からの距離と本実施例においては相関しておらず、共焦点光線のみを検出するよう最大の解像力で作動している場合、近共焦点光線が光検出器に入らないよう排除するために使用できるからである。遠視野アイリスダイアフラム７３が部分的に開放すると、近視野アイリスダイフラム７６は入光する近共焦点光線の比率を変える。
近共焦点光線の必要な分離をするために軌道長さを短くするべくファイバ先端の曲率半径を小さく出来るようフッ化水素酸エッチングあるいはその他の技術により全体直径（図示せず）を小さくした部分をファイバの先端近傍に設けると有利である。この部分は一段階で直径を小さくするか、断熱的テーパとして徐々に小さくすることが出来る。
さて、第８図を参照すれば、クラッデイングモード伝播を使用している第２実施例の一つから近共焦点光線を抽出する代替的な手段が示されている。ガラスブロック８０が光学接着剤８１によってファイバのクラッデイングの露出された部分に光学的に接続されている。ガラスブロック８０の屈折率は、光学接着剤８１の屈折率より高いか等しくなければならず、光学接着剤８１の屈折率は、ファイバクラッデイングの屈折率より高いか等しくなければない。レンズ８３は可変アイリス８４を通して出てくる光線を光電子増倍管８５上に集光する。ミラー８６がファイバの他方の側から出てくる光線を、概ね同じ軌道を追従するように反射する。クラッデイングモードストリッパ８７がレーザからのレーザ光線がクラッデイングに沿って進行するのを阻止する。レンズ８３の中心を通るファイバのコアに沿って進行する共焦点帰り光線は標準的な仕方でファイバ端で抽出され、ビームスプリッタ８９を介して光検出器８８まで通される。対象物から発散された光線の波長がレーザ源光線の波長と異なる蛍光像形成用途においては、クラッデイングモードとしてファイバ先端からファイバ内へ反射されるいずれかの迷光レーザ源光線を排除するためにレーザ排除フィルタ８９０を使用することが出来る。本装置を反射モード共焦点顕微鏡に使用する場合には、反射防止コーティングあるいはその他のファイバ先端処理をフィルタ８９０無しに使用することが出来る。
代替的な類似の配置が第８Ａ図に示されており、（第８図のファイバに対応する）第１のファイバ８Ａ２のクラッデイングより好ましくは直径が大きく、屈折率が同じかあるいはより大きい第２のガラスファイバ８Ａ１が数ミリメートルの長さに亘って第１のファイバ８Ａ２に溶着されている。第１のファイバ８Ａ２のクラッデイングを進行する光線は、２本のファイバの断面積に比例してより大きい第２のファイバ８Ａ１内へ導かれ、光線の角度整列が保たれる。第２のファイバ８Ａ１として５００ミクロンメートルのファイバが使用され、第１のファイバ８Ａ２として１２５ミクロンメートルのファイバが使用されるとすれば、クラッデイングモードの約９４％が第２のファイバ８Ａ１内へ導かれる。レンズ８Ａ３とアイリスダイアフラム８Ａ４とはファイバ８Ａ２から離して位置させることができ、ファイバ８Ａ２の周りでレンズを囲む必要性を排除している。
第８Ｂ図は可変選定手段を提供する別の代替的な手段を示し、可変屈折率の材料８Ｂ１は（第８図のファイバに対応する）ファイバのクラッデイングの露出された部分８Ｂ２と接触している。それにより、高次モードの可変量を面８Ｂ２を介して抽出し、捨てることが出来、残りの補足分が光電子増倍管８Ｂ３まで進む。可変屈折率の材料は面８Ｂ２に選択的に接触するようにされている種々の液体あるいは一連の軟質ポリマブロックを集めたものとしうる。
更に別の代替的な類似の配置が第９図に示されており、パースペックボックス９０が、９２において、露出されたクラッデイングを含む領域を含むファイバを囲んでいる。ボックス９０に透明のポリエステル樹脂９３が注入され、固定される。
さて、第９Ａ図を参照すれば、第２実施例の代替的な出口領域が示されている。第８図と第９図とに示す実施例のように、単一の出口領域を有し、選定手段がレンズとアイリスとによって提供されるのではなく、ジャケット９Ａ１を取り外した領域に、屈折率が順次増大していく光学接着剤の複数の滴を用いて内部伝播角度が順次小さくなる光線を抽出出来るようにしたファイバの一連の領域を用いることが可能である。クラッデイング９Ａ２が典型的に１．４５の屈折率を有し、ジャケット９Ａ１が典型的に１．４０の屈折率を有するとすれば、第１の剥離された領域において、光学接着剤のブロッブ（小塊）９Ａ４は、例えば１．４１の屈折率を有し、高角度伝播光線の第１部分を、その中に光検出器９Ａ３が位置している接着剤内へ抽出する．第２の領域において、屈折率が１．４２である光学接着剤９Ａ５と検出器９Ａ６とが更に、より低い角度より大きい光線をという風に抽出する。第３図と第４図とに示す実施例のように、一端においてランチモードストリッパが配置され、スイッチ手段が可変選定手段（図示せず）を提供する。ブロッブ９Ａ４と９Ａ５とは尺度通りでなく典型的にはサイズが３から４ミリメートルであり、内部で反射している光線軌道が「ピッチ」する範囲まで少なくとも延びるよう、ファイバの軸線方向に十分長い。
もしも光線が延長された軌道を伝播し共焦点コーンから近共焦点光線が横方向に十分発散出来ることにより横方向の分離の角方向分離への必要な符号化を行うことが出来るとすれば、湾曲したファイバ先端の代わりに従来の対物レンズを用いることが出来る。湾曲したファイバ端の利点はファイバ先端と試料との間の距離をはるかに短く出来ることである。共焦点光線がレンズによって悪く屈折されないように共焦点チャンネルが配置されているような何らかの装置は、ファイバ先端と試料との間の分離距離を短くするのに適している。
第７図に示した湾曲した端部７１によって提供される一体化した集光は、第１０図に示す球レンズ１００のような小さなレンズをファイバに接着することによって提供しうる。第１０図には、この球レンズによる典型的な光線軌道１０１を図示している。この実施例の欠点は、共焦点光線およびレーザ放射光線も球レンズによって集光されるため、再びファイバ先端と試料との間でより大きい距離を必要とすることである。本実施例も色収差を補正していない。しかしながら、一つの利点はファイバ先端とレンズとの相対運動が可能とされることである。顕微鏡のターレットにおける、各々のバックフォーカル径が異なる種々のレンズに、投影されたレーザビームを合わせるために、顕微鏡のヘッドに入ってくるファイバ先端がファイバ先端に隣接するレンズに向かって、あるいはそれより離れる方向に運動しうるようにする調整機構を有することが望ましい。第１０Ａ図は、圧電シリンダ１０Ａ４内に収容されたファイバ先端１０Ａ２に弾性の光学接着剤で取り付けられたレンズ１０Ａ１を示す。シリンダ１０Ａ４は長さが収縮可能で、ファイバ先端を長手方向に数ミクロンメートル移動させる。この運動によって、光線ビームの角度の変化を無視できる程度に抑えながら該光線ビームの幅を増し、トランスファ光学装置を通過した後、この調整機能を使用して使用されている対物レンズのアパーチャを合わせ、各レンズの光学的効率と解像力とを最大にする。
第３実施例の一つが第１１図に示され、ファイバの面上あるいはその前方のレンズの代わりに、屈折率分布（勾配）「乳房形」ファイバが単一モードファイバの代わりに用いられている。このファイバにおいて、単一モードコアを囲む光学材料は屈折率勾配を有し、コアの外側でファイバを伝播するモードのための湾曲した光線軌道１１０を提供している。第１１Ａ図は「乳房形」ファイバの屈折率プロフィルを示している。１１Ａ１の領域はポリマジャッケットに対応し、１１Ａ２の領域はガラスクラッデイングに対応し、１１Ａ３の領域は屈折率勾配を有するマルチモード支持領域に対応し、１１Ａ４の領域は単一モードコア領域に対応する。光線軌道伝播の最大角度は光線軌道が外面１１１に対して光線の近接する最小距離として入る光軸からの距離に関連する。このように、光軸からより大きな距離で入ってくる光線は光軸を横切る際最大の伝播角を有し、外面１１１により近く進む。
かくして、光学接着剤で満たされた一連の漸次深くなるエッチング領域１１２ａ，１１２ｂ，および１１２ｃにより、近共焦点光線を漸次選択することが可能となる。光線軌道を示す第１１図の線図は単に概略的なものである。実際、光線は、ファイバに沿う短い距離よりもノード領域を保持する仕方でファイバに入るわけではない。実際には、各々のエッチングした領域はノードに対して計画的に位置されているのではなく、ファイバの軸心に沿って約３-４ミリメートルの細長いものであり、振動光線軌道のピッチ長さの数倍であるため、深さΔまでのファイバの片側の単一のエッチングした領域は、最大の振動において表面からΔの深さ内に来る全ての光線を効果的に吸収する。
さて、第１２図を参照すれば、第３実施例の別の変形による屈折率分布ファイバの放射端１２０が示されている。ここでは、作動原理は若干異なるが、第７図に示すものと類似のダブルアイリスダイアフラム装置が採用されている。ファイバの遠位端から出てくる光線は、軸心から離れ入射角が小さい光線１２１や１２２、または軸心に近く入射角の大きい光線１２３や１２４のいずれかである。アイリスダイアフラム１２６まで進行する光線は、低い角度でファイバから出てくる光線であり、高い角度の光線はアパーチャ１２５において遮断される。この光線は、試料において焦点面からの距離に対応するファイバへ入る光線に対応する仕方でコアからの距離が概ね整然としている。例えば、光線１２２よりもコアから僅かに離れて出てくるものとして示されている光線１２１は、可変アイリスダイアフラム１２６によって、検出されないように排除され、一方、光線１２２は同アイリスダイアフラムに受け入れられる。この状態は、実際には、第１１図に示す理想的なノードを実現出来ないのでここに示す以上に複雑である。この結果、コアからの距離よりもむしろ、角度的に整然とした光線があり、これらの光線はアイリスダイアフラム１２５を操作することにより漸次選定しうる。実際には、中間の場合も入れた連続した範囲がある。しかしながら、全体の範囲はアイリスダイアフラム１２５と１２６とを同時に操作することにより供しうる程度にまで漸次選択出来る。次に、アイリスダイアフラム１２６におけるファイバ先端の投影像は所望の仕方で軸心から変位コード化され、アイリスダイアフラム１２６の操作は近視野モードパターン光線に対する可変ピンホール効果を発生させる。アイリスダイフラム１２５による遠視野モードパターン光線の可変閉塞と関連して作動すると、共焦点顕微鏡装置の従来の可変物理学的ピンホールと機能的に均等な作動を提供する。
さらに別の配置例が第１３図に示されており、第１のファイバ１３１はポリマブロック１３２に鋳込まれた形で示され、該ブロックの表面１３３は研磨されクラッデイングを殆どコア１３４まで露出している。そのため、高次のモードの可変量が表面１３３を通して抽出でき、可変比ファイバ結合技術において同様に知られているように、表面１３３上で第２のポリマブロック１３５を徐々に摺動させることにより棄却することが出来る。
共焦点光線並びに近共焦点光線を適当に分離するために、本発明の多くの実施例においてファイバ先端と対象物との間で十分な距離をとり、一方対処しうる製品サイズを保つためにビームエクステンダを用いることが必要である。これは、当該技術分野で周知のように、標準的な対向ミラー技術を用いてコンパクトなパッケージに設計することが出来る。
屈折率を変更しうる周りの媒体によるファイバからの結合モードの原理は顕微鏡ヘッドまでの途次のレーザからの光線にも適用できる。光学伝送手段として数個のモード化した通信ファイバを使用し、クラッデイングガラスをこのファイバの一部からエッチングし、屈折率を制御可能な可変屈折率材料と置き換えた場合、顕微鏡へ進んでいるモードは、モードが検出器に帰ってくるのと同時に制御することが出来る。このことは、蛍光が飽和し、非線形光学漂白が問題となりうるような低発蛍光団濃度に対して余分の信号強度を提供する点においてある利点を有している。
共焦点光学設計技術分野の専門家には明らかなように、本発明に対して修正を行うことが出来る。例えば、本発明は、回折限界共焦点を必要とする用途に限定されるのではなく、同じ光学的原理を利用しうる顕微鏡以外の像形成装置も本発明の範囲に入る。更に、ファイバ端の投影像に隣接して配置される近視野アイリスダイフラムやその関連の光検出器を希望に応じて、ＣＣＤアレイとソフトウエアで実行される選択的排除に置き換えることが出来る。ＣＣＤアレイが遠視野パターン復号化と共に同様に使用できる。
また、近共焦点帰りファイバの中間領域あるいは端部のいずれかで出口領域を色々と使用し、「近視野」あるいは「遠視野」と分類しうる選定手段がレンズとアイリスまたはスイッチ手段から構成され、３種類の「符号化」装置が隔離チャンネルあるいは角度符号化を使用しているといった多数の実施例を示してきた。
これらの基本的な概念のその他の組み合わせも考えられ、かつまた、これらも本発明の範囲に入る。
更に、前述のように、本明細書に示した単一ファイバの実施例は、光源ファイバおよび帰りファイバを別個にしたり、近共焦点帰りに対する個別のファイバにより共焦点帰りを提供するようにしてデュアルファイバ装置と置き換えることが可能である。これら、およびその他の修正は前述の説明および図面からその性質が確認される本発明の範囲から逸脱することなく実行可能である。

Claims (22)

1. 光線ビームを供給する光源と、
   前記ビームからの光線を対象物上または対象物内部の点観察領域に集光し、前記点観察領域の近傍から発散される対象物から発散された光線を受け取る光線集光手段と、
   前記対象物から発散した光線を検出する検出器と、
   前記点観察領域が像形成装置の光軸に対して横方向の焦点面上で走査するように前記対象物と前記点観察領域とを相対運動させるよう作動可能な走査手段と、
   前記光源からの光線ビームを前記集光手段まで伝送するとともに対象物から発散された光線を前記検出器へ伝送し、対象物から発散した光線を前記点観察領域からのみ伝送する可とう性の共焦点光学伝送手段を有する可とう性光学伝送手段と、
   対象物から発散した光線を前記光線ビームから分離し、それを検出器まで通す光線分離手段と、
   を含み、
   前記光学伝送手段が更に、
   （ｉ）前記共焦点光学伝送手段に隣接して集光端を有し、焦点面の上方および下方の所定範囲の距離内に位置した対象物の点から発散される近共焦点光線のうち、前記所定範囲内にあって前記焦点面からの距離が大きい選択された部分から発散される近共焦点光線を、同距離が小さい残部からの近共焦点光線から分離して伝送する可とう性の近共焦点光学伝送手段と、
   （ｉｉ）前記可とう性近共焦点光学伝送手段から前記近共焦点光線の少なくとも一部を出すための出口領域とを含み、
   前記選択された部分を画定し、それを前記検出器から排除する可変選定手段が更に設けられており、
   前記近共焦点光学伝送手段は、口径の大きい光ファイバあるいは単一モード光ファイバのクラッデイングからなり、
   前記集光手段は、光ファイバの集光端に入る光線を、該光ファイバの光軸からの前記集光端への光線の入光点の距離に応じて増える角度で該光ファイバを通して伝送させ、前記選択部分が前記集光端に入る光線の角度によって分離されるようにし、
   前記光ファイバの集光端は、レンズ効果を与える湾曲した形状とされ、光線が光軸からより遠い所で入光すればするほど、光線をより大きい範囲で曲げ、
   前記光ファイバの先端近傍には、全体の直径が小さくされ、光ファイバの先端の曲率半径が小さくなって、近共焦点光線の必要な分離を達成するために光線軌道の長さが短くされるようにする狭くされた部分が設けられていることを特徴とする共焦点像形成装置。
2. 前記狭くされた部分の直径が一段で小さくされていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の共焦点像形成装置。
3. 前記狭くされた部分の直径が断熱的に小さくされることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の共焦点像形成装置。
4. 前記集光手段が前記光ファイバの集光端上に接着された球レンズからなることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の共焦点像形成装置。
5. 前記可変選定手段が前記出口領域に隣接して配置され選択された角度以上で発散される光線を排除する可変ダイアフラムを含むことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の共焦点像形成装置。
6. 前記出口領域が前記光ファイバの放射端によって提供されることを特徴とする請求の範囲第１項から第５項までのいずれか１項に記載の共焦点像形成装置。
7. 前記出口領域は光ファイバの放射端によって構成され、前記可変選定手段が前記光ファイバの放射端の像を第２の可変ダイフラム上に集光する近共焦点集光手段を含むことを特徴とする請求の範囲第５項に記載の共焦点像形成装置。
8. 光線ビームを供給する光源と、
   前記ビームからの光線を対象物上または対象物内部の点観察領域に集光し、前記点観察領域の近傍から発散される対象物から発散された光線を受け取る光線集光手段と、
   前記対象物から発散した光線を検出する検出器と、
   前記点観察領域が像形成装置の光軸に対して横方向の焦点面上で走査するように前記対象物と前記点観察領域とを相対運動させるよう作動可能な走査手段と、
   前記光源からの光線ビームを前記集光手段まで伝送するとともに対象物から発散された光線を前記検出器へ伝送し、対象物から発散した光線を前記点観察領域からのみ伝送する可とう性の共焦点光学伝送手段を有する可とう性光学伝送手段と、
   対象物から発散した光線を前記光線ビームから分離し、それを検出器まで通す光線分離手段と、
   を含み、
   前記光学伝送手段が更に、
   （ｉ）前記共焦点光学伝送手段に隣接して集光端を有し、焦点面の上方および下方の所定範囲の距離内に位置した対象物の点から発散される近共焦点光線のうち、前記所定範囲内にあって前記焦点面からの距離が大きい選択された部分から発散される近共焦点光線を、同距離が小さい残部からの近共焦点光線から分離して伝送する可とう性の近共焦点光学伝送手段と、
   （ｉｉ）前記可とう性近共焦点光学伝送手段から前記近共焦点光線の少なくとも一部を出すための出口領域とを含み、
   前記選択された部分を画定し、それを前記検出器から排除する可変選定手段が更に設けられており、
   前記近共焦点光学伝送手段は、口径の大きい光ファイバあるいは単一モード光ファイバのクラッデイングからなり、
   前記集光手段は、光ファイバの集光端に入る光線を、該光ファイバの光軸からの前記集光端への光線の入光点の距離に応じて増える角度で該光ファイバを通して伝送させ、前記選択部分が前記集光端に入る光線の角度によって分離されるようにし、
   前記出口領域は、前記ファイバの側部が露出され、近共焦点光線のあるもの、あるいは全てを抽出するために屈折率がファイバのそれに適当に合わされた抽出材料と接触する１個以上の領域によって提供されることを特徴とする共焦点像形成装置。
9. 前記出口領域が単一の露出された領域によって提供されることを特徴とする請求の範囲第８項に記載の共焦点像形成装置。
10. 前記抽出材料が、前記露出領域に光学的に接続されたガラスブロックであることを特徴とする請求の範囲第９項に記載の共焦点像形成装置。
11. 透明なボックスが、露出された部分を含むようにファイバを囲み、前記抽出材料が前記ボックス内で固定された透明な樹脂であって前記露出部分と光学的に接続されることを特徴とする請求の範囲第９項に記載の共焦点像形成装置。
12. 前記可変選定手段が前記ファイバの前記出口領域に隣接して配置され選択された角度以上で発散される光線を排除する可変ダイアフラムを含み、前記抽出材料によって抽出された光線が前記可変ダイアフラムによって選択されることを特徴とする請求の範囲第９項に記載の共焦点像形成装置。
13. 前記出口領域が、漸進的に大きな屈折率を有するファイバ接触材料に沿って配列された複数の前記露出された領域によって提供されて低角度の光線を漸進的に抽出し、前記可変選定手段がスイッチ手段からなることを特徴とする請求の範囲第８項に記載の共焦点像形成装置。
14. 光線ビームを供給する光源と、
    前記ビームからの光線を対象物上または対象物内部の点観察領域に集光し、前記点観察領域の近傍から発散される対象物から発散された光線を受け取る光線集光手段と、
    前記対象物から発散した光線を検出する検出器と、
    前記点観察領域が像形成装置の光軸に対して横方向の焦点面上で走査するように前記対象物と前記点観察領域とを相対運動させるよう作動可能な走査手段と、
    前記光源からの光線ビームを前記集光手段まで伝送するとともに対象物から発散された光線を前記検出器へ伝送し、対象物から発散した光線を前記点観察領域からのみ伝送する可とう性の共焦点光学伝送手段を有する可とう性光学伝送手段と、
    対象物から発散した光線を前記光線ビームから分離し、それを検出器まで通す光線分離手段と、
    を含み、
    前記光学伝送手段が更に、
    （ｉ）前記共焦点光学伝送手段に隣接して集光端を有し、焦点面の上方および下方の所定範囲の距離内に位置した対象物の点から発散される近共焦点光線のうち、前記所定範囲内にあって前記焦点面からの距離が大きい選択された部分から発散される近共焦点光線を、同距離が小さい残部からの近共焦点光線から分離して伝送する可とう性の近共焦点光学伝送手段と、
    （ｉｉ）前記可とう性近共焦点光学伝送手段から前記近共焦点光線の少なくとも一部を出すための出口領域とを含み、
    前記選択された部分を画定し、それを前記検出器から排除する可変選定手段が更に設けられており、
    前記近共焦点光学伝送手段が屈折率分布ファイバからなることを特徴とする共焦点像形成装置。
15. 前記出口領域は、光ファイバの側面に次々に深さを深くして形成した複数のエッチング領域からなり、各エッチング領域はそれぞれ光検出器を備えていることを特徴とする請求の範囲第１４項に記載の共焦点像形成装置。
16. 前記出口領域が光ファイバの放射端によって提供されることを特徴とする請求の範囲第１４項に記載の共焦点像形成装置。
17. さらに第１の可変ダイアフラム、第２の可変ダイアフラム及び近共焦点集光手段が備えられ、該第１の可変ダイアフラムは光ファイバの放射端からの近共焦点光線を受け入れて低角度の光のみを近共焦点集光手段に伝送し、第２の可変ダイアフラムは、前記光検出器の前に配置されていて、光ファイバの放射端の像が前記近共焦点集光手段を介して該第２の可変ダイアフラムへ投影されることを特徴とする請求の範囲第１６項に記載の共焦点像形成装置。
18. 光線ビームを供給する光源と、
    前記ビームからの光線を対象物上または対象物内部の点観察領域に集光し、前記点観察領域の近傍から発散される対象物から発散された光線を受け取る光線集光手段と、
    前記対象物から発散した光線を検出する検出器と、
    前記点観察領域が像形成装置の光軸に対して横方向の焦点面上で走査するように前記対象物と前記点観察領域とを相対運動させるよう作動可能な走査手段と、
    前記光源からの光線ビームを前記集光手段まで伝送するとともに対象物から発散された光線を前記検出器へ伝送し、対象物から発散した光線を前記点観察領域からのみ伝送する可とう性の共焦点光学伝送手段を有する可とう性光学伝送手段と、
    対象物から発散した光線を前記光線ビームから分離し、それを検出器まで通す光線分離手段と、
    を含み、
    前記光学伝送手段が更に、
    （ｉ）前記共焦点光学伝送手段に隣接して集光端を有し、焦点面の上方および下方の所定範囲の距離内に位置した対象物の点から発散される近共焦点光線のうち、前記所定範囲内にあって前記焦点面からの距離が大きい選択された部分から発散される近共焦点光線を、同距離が小さい残部からの近共焦点光線から分離して伝送する可とう性の近共焦点光学伝送手段と、
    （ｉｉ）前記可とう性近共焦点光学伝送手段から前記近共焦点光線の少なくとも一部を出すための出口領域とを含み、
    前記選択された部分を画定し、それを前記検出器から排除する可変選定手段が更に設けられており、
    前記近共焦点光学伝送手段が前記集光端に端部が隣接し前記分離可能な伝送を行う複数の光学的に隔離されたチャンネルを含み、
    近共焦点光学伝送手段の前記出口領域が、前記複数のチャンネルの内の異なるチャンネルあるいはサブセットのチャンネルを露出し、光セメントを含み対応するチャンネルあるいはサブセットのチャンネルを進行する光線を対向する光検出器にそらせる光ファイバの複数のエッチングした部分によって提供されることを特徴とする共焦点像形成装置。
19. 前記複数のチャンネルが光ファイバの束によって提供されることを特徴とする請求の範囲第１８項に記載の共焦点像形成装置。
20. 前記複数のチャンネルが複数のコアを備えた大口径の光ファイバによって提供されることを特徴とする請求の範囲第１８項に記載の共焦点像形成装置。
21. 前記複数のチャンネルが、光学的に遮断材料で相互に分離された複数の共軸線同心の導波構造であることを特徴とする請求の範囲第２０項に記載の共焦点像形成装置。
22. 前記可変選定手段が前記光検出器の異なる検出器あるいはサブセットの検出器からの出力を選択するスイッチ手段からなることを特徴とする請求の範囲第１８項に記載の共焦点像形成装置。

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